Tam bija nepieciešams grafēns un lāzers
Ātrgaitas gaismas impulsi var padarīt datorus miljonu reižu ātrākus nekā modernākie procesori: zinātnieku grupa, tostarp pētnieki no Arizonas Universitātes, strādā, lai tas kļūtu par realitāti.
Starptautiskas sadarbības ietvaros zinātnieki no Džeimsa Vainanta Fizikas fakultātes un Optisko zinātņu koledžas demonstrēja veidu, kā kontrolēt elektronus grafēnā, izmantojot gaismas impulsus, kas ilgst mazāk nekā triljonā daļa sekundes. Izmantojot kvantu efektu, kas pazīstams kā tunelēšana, viņi fiksēja, kā elektroni gandrīz momentāli pārvar fizisko barjeru, kas pārdefinē iespējamos datoru skaitļošanas jaudas limitus.
Pētījums, kas publicēts žurnālā Nature Communications, uzsver, ka šī tehnika var nodrošināt datu apstrādes ātrumu petahercos — vairāk nekā 1000 reizes ātrāk nekā mūsdienu mikroshēmās.
Datu pārraide ar šādu ātrumu mainīs mūsu priekšstatus par skaitļošanas tehniku, teica fizikas un optikas zinātņu asociētais profesors Mohammed Hassan. Hassan jau ilgu laiku nodarbojas ar gaismas bāzes datoru tehnoloģiju izstrādi un iepriekš vadīja pasaulē ātrākā elektroniskā mikroskopa izstrādi.
“Mēs esam spēruši milzīgu soli uz priekšu tādu tehnoloģiju attīstībā kā mākslīgā intelekta programmatūra, taču aparatūras attīstības ātrums nespēj tām tikt līdzi. Taču, balstoties uz atklājumiem kvantu datoru jomā, mēs varam izstrādāt aprīkojumu, kas atbilst pašreizējai revolūcijai informācijas tehnoloģiju programmatūras jomā. Ultraātrās datortehnoloģijas ievērojami palīdzēs pētījumos kosmosā, ķīmijā, veselības aprūpē un daudzās citās jomās,” norādīja Hassans.
Hassans strādāja kopā ar kolēģiem no Arizonas Universitātes: Nikolaju Golubevu, fizikas docentu, Mohamedu Sinari, doktorantu, kurš pēta optiku un fiziku, Džalilu Šahu un Mingui Juanu, doktorantu optikas jomā. Viņiem pievienojās kolēģi no Kalifornijas Tehnoloģiju institūta Reaktīvās kustības laboratorijas un Ludviga Maksimiliāna universitātes Minhenē, Vācijā.
Sākotnēji komanda pētīja modificētu grafēna paraugu elektrovadītspēju — grafēns ir materiāls, kas sastāv no viena oglekļa atomu slāņa. Kad lāzers apgaismo grafēnu, lāzera enerģija uzbudina elektronus materiālā, liekot tiem kustēties un veidot strāvu.
Dažreiz šīs elektriskās strāvas savstarpēji izdzēš. Hassans paskaidroja, ka tas notiek tāpēc, ka lāzera enerģijas vilnis kustas uz augšu un uz leju, radot vienādas un pretējas strāvas abās grafēna pusēs. Pateicoties grafēna simetriskajai atomstruktūrai, šīs strāvas spoguļveidīgi atspoguļojas un izdzēš viena otru.
Bet kas notiktu, ja viens elektronu varētu izslīdēt cauri grafēnam un tā ceļu varētu fiksēt un izsekot reālajā laikā? Šis gandrīz momentālais “tunelēšanas efekts” kļuva par negaidītu rezultātu, komandai modificējot dažādus grafēna paraugus.
“Tas ir tas, ko es visvairāk mīlu zinātnē: patiesi atklājumi rodas no tā, ko tu negaidi. Ienākot laboratorijā, tu vienmēr gaidi, kas notiks, bet patiesā zinātnes skaistums ir nelielas nejaušības, kas mudina tevi pētīt tālāk. Tiklīdz mēs sapratām, ka esam sasnieguši šo tunelēšanas efektu, mums bija jāuzzina vairāk,”** teica Hassans.
Izmantojot komerciāli pieejamu grafēna fototranzistoru, kas modificēts ar īpaša silīcija slāņa pievienošanu, pētnieki izmantoja lāzeru, kas pārslēdzas ar frekvenci 638 attosekundes, lai radītu to, ko Hassans nosauca par “ātrāko pasaulē petahercē kvantu tranzistoru”.
Tranzistors ir ierīce, kas darbojas kā elektronisks slēdzis vai pastiprinātājs, kontrolējot elektrības plūsmu starp diviem punktiem, un ir mūsdienu elektronikas attīstības pamats.
“Salīdzinājumam, viena attosekunde ir viena kvintiljonda daļa sekundes. Tas nozīmē, ka šis sasniegums ir liels solis uz priekšu ultraātrās datortehnoloģijas attīstībā, pateicoties petahtu ātruma tranzistora izveidei,” teica Hassans.
Lai gan daži zinātniskie sasniegumi prasa stingrus apstākļus, tostarp temperatūru un spiedienu, šis jaunais tranzistors darbojās parastos apstākļos, kas paver ceļu komercializācijai un izmantošanai ikdienas elektronikas ierīcēs.
Hassans sadarbojas ar Tech Launch Arizona, biroju, kas palīdz pētniekiem komercializēt izgudrojumus, kas radīti, pamatojoties uz Arizonas Universitātes pētījumiem, lai patentētu un ieviestu inovācijas tirgū. Lai gan sākotnējā izgudrojumā tika izmantots specializēts lāzers, pētnieki turpina attīstīt tranzistoru, kas ir saderīgs ar komerciāli pieejamu aprīkojumu.
“Es ceru, ka mēs varēsim sadarboties ar rūpniecības partneriem, lai realizētu šo petahercs tranzistoru mikroshēmā. Arizonas Universitāte jau ir pazīstama ar pasaulē ātrāko elektronisko mikroskopu, un mēs vēlētos kļūt slaveni arī ar pirmo petahercs ātruma tranzistoru,” teica Hassans.
